《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于協(xié)方差矩陣的MU-MIMO干擾消除算法研究
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
楊中豪，王 瓊
重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065
摘要： LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)系統(tǒng)有高速率、低時延的需求。但是，系統(tǒng)中的干擾嚴(yán)重影響了終端接收信號質(zhì)量，限制了系統(tǒng)性能的提升。對于小區(qū)間的同頻干擾，重點(diǎn)研究了干擾消除性能較優(yōu)的IRC(Interference Rejection Combining)算法。針對目前IRC算法的兩種經(jīng)典的協(xié)方差矩陣估計方案—基于數(shù)據(jù)信號和基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，給出了一種基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計的改進(jìn)方案。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的IRC算法較基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法有1 dB～2 dB的性能增益，因此更適用于受同頻干擾比較嚴(yán)重的LTE-A系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞： MIMO 干擾消除 LTE-A
中圖分類號： TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.12.021

中文引用格式： 楊中豪，王瓊. 一種基于協(xié)方差矩陣的MU-MIMO干擾消除算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(12)：79-82.
英文引用格式： Yang Zhonghao，Wang Qiong. An interference cancellation algorithm based on covariance matrix for MU-MIMO system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(12)：79-82.
An interference cancellation algorithm based on covariance matrix for MU-MIMO system
Yang Zhonghao，Wang Qiong
School of Communications and Information Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China
Abstract： Long Term Evolution-Advanced(LTE-A) system has the demands of high rate and low latency. However, interference in the system seriously affects the signal quality received by the terminal and limits the increasing of system performance. For inter-cell co-channel interference, Interference Rejection Combining(IRC) technology has better performance and is studied. There are two kinds of classical covariance matrix estimation schemes of IRC. One is based on data, and other is based on DM-RS references. Combining the advantages and disadvantages of these two programs, the method of selecting the sample points and computing covariance matrix is improved. Simulation results show that the improved IRC algorithm has 1-2dB performance gain compared with the one based on DM-RS references. It’s more suitable for LTE-A system affected by co-channel interference.
Key words : MIMO；interference cancellation；LTE-A

    

0 引言

    為了減小干擾及提高小區(qū)邊緣用戶容量，3GPP一直致力于研究干擾消除技術(shù)。這些技術(shù)要么使用半靜態(tài)時域技術(shù)(eICIC，F(xiàn)eICIC)，要么使用動態(tài)技術(shù)，如CoMP技術(shù)，這些技術(shù)對同步有不同的需求，并且要求無線網(wǎng)絡(luò)之間要信息共享，被稱為發(fā)送端網(wǎng)絡(luò)輔助干擾抑制技術(shù)。同時，多用戶MIMO干擾消除技術(shù)也可以在終端進(jìn)行，這不需要網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)助。如果一個終端接收機(jī)能夠識別出干擾組成，則它就能抑制干擾，提高接收信號的信干噪比[1]。

1 多小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型

    實(shí)際通信系統(tǒng)中，相鄰小區(qū)間存在干擾[2]。圖1為多小區(qū)MIMO系統(tǒng)模型[3]。

tx3-t1.gif

    圖1是K個相鄰小區(qū)的等效MIMO系統(tǒng)模型。需要說明的是，K×NT個發(fā)射天線發(fā)射的信號經(jīng)過相互獨(dú)立的無線通信信道后被接收端接收處理[4]。接收信號向量y表示如下：

tx3-gs1-3.gif

2 一種基于協(xié)方差矩陣估計的IRC算法

    LTE-A系統(tǒng)中，現(xiàn)階段有兩種估計協(xié)方差矩陣的方法：一種是基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計，另一種是基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計。下面分別對這兩種方案進(jìn)行介紹。

2.1 基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計

    一般情況下，干擾信號與噪聲是不相關(guān)的，故接收數(shù)據(jù)信號的自相關(guān)矩陣可以表示為：

    tx3-gs4.gif

    文獻(xiàn)[5]中，給出了聯(lián)合時、頻域的Ryy的計算表達(dá)式：

    tx3-gs5.gif

式中，L為時域OFDM符號的個數(shù)，B為頻域子載波的個數(shù)，y(k，l)為第k個子載波、第l個OFDM符號上的接收數(shù)據(jù)。

    因此，在基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計方法中，wH可以表示為：

    tx3-gs6.gif

    基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差估計是一種利用樣本均值代替統(tǒng)計平均的方法，基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差估計的關(guān)鍵是樣本點(diǎn)的選取問題。

2.2 基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計

    文獻(xiàn)[6]給出了另一種計算協(xié)方差矩陣的方法，即基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計法。

    在基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計法中，同基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計法一樣，也考慮了利用樣本均值代替統(tǒng)計平均的方法。

    tx3-gs7.gif

    故基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計方法中，wH可以表示為：

    tx3-gs8.gif

    雖然基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計法對協(xié)方差矩陣u的估計較為精確，進(jìn)而對干擾抑制的效果也較為明顯。因此在LTE-A系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化過程中得到了采用[7]。但是在整個估計過程中，只是利用了參考信號位置信息，并不能像基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計法那樣可以利用所有接收數(shù)據(jù)信號，因此，這種方案資源利用不充分。

3 一種基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計的改進(jìn)

3.1 樣本點(diǎn)選取方案

    LTE-A系統(tǒng)中，只有在滿足相關(guān)帶寬和相關(guān)時間的條件下，信道矩陣H、Gi才是慢衰落的。此時樣本點(diǎn)選取的越多，樣本均值越接近統(tǒng)計平均。如果在不滿足相關(guān)時間和相關(guān)帶寬的條件下，過多地選取樣本點(diǎn)，會因選取到下一統(tǒng)計時刻的樣本點(diǎn)而影響性能。

    文獻(xiàn)[8]給出了計算相關(guān)帶寬Bc和相關(guān)時間Tc的方法，結(jié)合文獻(xiàn)[9]定義的不同信道類型的參數(shù)，可以得到不同信道下的相關(guān)帶寬以及相關(guān)時間。圖2所示為時頻資源塊幀結(jié)構(gòu)和樣本點(diǎn)選取的方案。

tx3-t2.gif

3.2 基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計方案

    LTE-A系統(tǒng)中，基于DM-RS參考信號的協(xié)方差矩陣估計的方案直接估計了干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣，因而干擾消除性能較優(yōu)。因此，本文采用此思想對干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣估計方法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)思路是：首先采用基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計的方案對原始發(fā)送信號tx3-3.2-x1.gif做初步估計，這個過程中用一個PRB中的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行估計；其次采用基于DM-RS的協(xié)方差矩陣估計的思想，利用發(fā)送信號的初步估計值tx3-3.2-x1.gif對協(xié)方差矩陣再次估計。具體實(shí)現(xiàn)過程如下所示。

    (1)采用基于數(shù)據(jù)信號協(xié)方差矩陣估計的方案估計權(quán)重矩陣wH：

    tx3-gs9.gif

    此過程中，選取一個PRB中的資源粒子作為研究對象。

tx3-gs10-14.gif

3.3 算法流程圖

    改進(jìn)后IRC算法流程圖如圖3所示。

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4 仿真與分析

4.1 仿真參數(shù)配置

    主要仿真參數(shù)配置如表1所示。

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4.2 仿真性能分析

    為了分析各種算法的干擾消除性能，本文采用BER進(jìn)行度量。在LTE-A協(xié)議規(guī)定的三種信道環(huán)境下對其進(jìn)行性能仿真，仿真結(jié)果如圖4~圖6所示。

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    由圖可以看出，IRC算法的干擾抑制效果強(qiáng)于MRC算法，這是因?yàn)镮RC算法在合并接收信號時，不僅考慮了干擾信號對期望信號的影響，而且考慮了高斯白噪聲對期望信號的影響。

    基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計由于直接估計了干擾和噪聲的協(xié)方差矩陣，因此干擾抑制性能優(yōu)于基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計。當(dāng)誤比特率為10-1時，基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法較基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法有2 dB的性能增益。

    改進(jìn)后的IRC算法干擾消除性能優(yōu)于基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法。這種算法通過利用基于數(shù)據(jù)信號的協(xié)方差矩陣估計首先對初始發(fā)送信號做初步估計，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)協(xié)方差矩陣的二次估計，克服了基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計方案在利用資源方面存在欠缺的問題。

5 結(jié)論

    本文重點(diǎn)研究了基于協(xié)方差矩陣估計的IRC算法，即基于數(shù)據(jù)信號和基于參考信號的協(xié)方差矩陣估計的IRC算法。根據(jù)兩種估計方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，從利用時頻資源的角度出發(fā)，給出了一種基于樣本點(diǎn)選取的協(xié)方差矩陣估計方案。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的IRC干擾抑制效果更佳，更適合應(yīng)用于多用戶MIMO系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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